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          1. 尼龍隔熱條對整窗太陽得熱的影響

            2019-11-20

             摘要:


            不少同行研究過傳熱系數的標準后,也會發現U值是不考慮太陽輻射影響的。那么隔熱斷橋窗如何應用到夏季的白天呢?本文先介紹了評估夏季太陽輻射的指標,然后分析了隔熱條從無到有,到寬,對此指標的影響。發現斷橋隔熱窗框的影響非常顯著,不可忽略。


             關鍵詞:


            尼龍隔熱條,太陽光總透射比,制冷


            眾所周知,尼龍隔熱條能夠顯著降低整窗傳熱系數(U值),進而降低建筑能耗。那在以制冷為主要訴求且溫差較小的南方炎熱區域,是否就無用武之地呢?而我們也注意到同樣來自于歐洲的被動房節能建筑(Passivhaus)卻已經推廣到赤道或者炎熱氣候區,而且節能效果未打折扣。本文主要通過理論分析淺談隔熱斷橋技術在南方炎熱區域的應用。


            一、太陽得熱量計算


            炎熱氣候區的建筑能耗以制冷為主,所以更關心通過窗戶進入室內的太陽輻射總量Φ,大致由溫差引起的熱傳遞量ΦT和太陽光總透射量Φs組成。ΦT由室內外的溫差ΔT和門窗的傳熱系數(Uw值)決定,而尼龍隔熱條能顯著降低U值,不在此詳述。Φs由太陽輻射照度I,入射角,以及遮陽系數SC或太陽光總透射比(SHGC或g值)來決定。為簡化分析,參照JGJ/T 151 《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》選擇太陽輻射照度為500 W/m2,入射角為0度。


            SC起初是作為一個單一數值來比較玻璃對太陽得熱的控制能力,簡單。例如, SC表示在標準入射角下透過玻璃與透過3mm透明玻璃的太陽得熱的比值,但是3mm玻璃的成分定義以及確切厚度并沒厘清。SC只定義了窗戶玻璃這部分的太陽得熱能力(SCg),整窗遮陽系數SCw是以玻璃SCg乘以??虮葋碛嬎?,也就是忽略了窗框的影響。SC還可以用來表征一定范圍太陽方位角下玻璃的太陽得熱性能。但是,當太陽入射角較大時,精度上就得不到滿足。


            g值不僅包括玻璃部分gg,又明確給出了窗框部分gf的公式,其計算出的整窗gt無疑更切合實際。此外,從名稱來說,SC(shading coefficient)作為遮陽系數,其數值越小,效果越好,是個相反的概念。而g值(solar heat gain coefficient)其值越小,說明從太陽得到的熱量越少,比較名副其實,所以目前國內普遍采用g值來進行建筑能耗分析, 國內2015版GB50189 <公共建筑節能設計標準>中,外窗的SC值也由g值替換了。


            根據標準151,窗框gf和Uf值成正比。而窗框Uf值與隔熱條寬度正相關。本文以隔熱條寬度的變化,來研究整窗gt的變化以及其他影響分析。


            二、整窗及窗框太陽光總透射比的計算


            在151中,明確了太陽光總透射比的詳細計算公式,現摘錄如下:


            ●整窗太陽光總透射比gt,其計算公式如下:


            其中,gg和gf分別代表玻璃和窗框的太陽光總透射比??梢钥闯瞿J玻璃的中心部分和邊部的g值是相同。


            ● 框的窗太陽光總透射比gf為:


            其中,Uf采用夏季標準環境條件計算,即


            室內空氣溫度Tin=25℃             室內對流換熱系數hc,in=2.5 W/(m2·K)


            室外空氣溫度Tout=30℃            室外對流換熱系數hc,out =16W/(m2·K)


            室內平均輻射溫度Trm,in =Tin       室外平均輻射溫度Trm,out =Tout


            太陽輻射照度Is=500 W/m2


            Hout是由對流hc,out和輻射hr,out兩部分組成的,分別為16和3.9 W/(m2·K)。


            ɑf和型材的表面顏色及處理有關,取為0.7


            Asurf和Af分別為窗框的外表面面積和投影面積。對于窗戶來說,一般其比值不超過1.1。


            采用LBNL的THERM軟件進行計算時,選擇了室外側的窗框表面積作為 U-factor tag(U值標簽,用于統計流過此標簽的所有熱量),因為熱量從室外流入室內時,不止經過窗框,還有通過間隔條等流入玻璃邊緣部分。如右圖的等溫線。


            三、尼龍隔熱條對g值的影響


            按上述算法,針對隔熱條寬度分別為普鋁,14.8mm, 24mm(填充泡沫)的鋁合金內開窗在沒有外遮陽的情況下,模擬其g值和能耗的表現。為簡化變量,假定??虮葹?5%,玻璃的太陽光總透射比gg為常見的0.35,玻璃Ug值 1.8 W/(m2.K)。


            通過THERM和WINDOW 6.3的模擬,得到了這一系列窗的U值,shgc圖,總得熱量的對比圖,如下。


            在按照151標準所模擬的結果中,可以看出:


            ●在任一配置下,窗框的太陽得熱量Φsf都在窗框溫差得熱量ΦTf的3倍以上。而且大部分情況下,甚至大于整窗通過溫差的得熱量ΦTw.說明在夏季以制冷為主的地區,隔熱窗框的主要功能并非降低Uf值,而是降低通過窗框的gf。


            ●通過整窗的溫差得熱量ΦT占整體得熱量ΦT+Φs的10%以下。而且隨著隔熱條寬度從0開始增加后,其比例持續下降。說明從夏季制冷的角度,應優先考慮降低太陽得熱部分。


            ●對于普鋁窗來說,其窗框的gf為0.20,占整窗gt的比例達到16%.也就是說通過窗框的太陽得熱量不可忽略。


            ●使用14.8隔熱條之后,窗框g值下降了39%。整窗g值下降了6%。


            ● 隨著隔熱條寬度從14.8增加到24mm左右,相比普鋁窗,gf值下降比例也從39%進一步降到57%,整窗g值也下降到了9%。說明高隔熱性能窗框的使用能夠進一步顯著降低整窗太陽光透射比。


            四、總結


            本文從夏季制冷的角度研究了隔熱條寬度對整窗太陽得熱量的影響。通過窗框的太陽得熱量大于其溫差得熱量的三倍,甚至大于整窗的溫差得熱量,因此評估整窗得熱量時,不可忽略窗框部分。普鋁窗框的太陽得熱量占整體的16%以上,從制冷和降低能耗的角度,應考慮采用斷橋窗框。而采用高隔熱性能窗框,能進一步降低太陽得熱量以及窗框對整體的影響。


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